針對(duì)飛機(jī)模擬器硬件仿真時(shí)系統(tǒng)模塊多、通信頻繁、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而導(dǎo)致模塊間布線繁雜， 以及由此產(chǎn)生的干擾等問(wèn)題， 提出一種基于CAN 總線的駕駛艙仿真方案。該方案中上位機(jī)負(fù)責(zé)邏輯運(yùn)算， 下位機(jī)負(fù)責(zé)操作信息采集， 通過(guò)CAN 總線將上、下位機(jī)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)， 實(shí)現(xiàn)駕駛艙功能仿真。闡述系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)， 設(shè)計(jì)了整個(gè)駕駛艙的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議， 結(jié)合實(shí)際應(yīng)用， 給出了節(jié)點(diǎn)中數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸軟件實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明， 該設(shè)計(jì)布線簡(jiǎn)潔， 數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠， 達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
根據(jù)國(guó)家建設(shè)民航強(qiáng)國(guó)的需要， 國(guó)內(nèi)對(duì)飛機(jī)模擬機(jī)的需求不斷增大， 但目前國(guó)內(nèi)模擬機(jī)研制規(guī)模不能滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求， 若引進(jìn)國(guó)外模擬機(jī)， 則不僅成本高昂， 且不利于技術(shù)掌握， 因此擴(kuò)大模擬機(jī)自主研發(fā)規(guī)模成為必然趨勢(shì)?？紤]到各種機(jī)型的駕駛艙功能的共性， 即系統(tǒng)模塊多、通信頻繁、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而導(dǎo)致模塊間布線繁雜， 以及由此產(chǎn)生的干擾等問(wèn)題， 提出一種駕駛艙硬件仿真方案， 該方案可以滿足駕駛艙各模塊間穩(wěn)定通信， 且簡(jiǎn)化布線。
1 方案確立
駕駛艙仿真主要以報(bào)文的形式承載各系統(tǒng)模塊的操作信息， 通過(guò)上位機(jī)完成邏輯運(yùn)算， 實(shí)現(xiàn)駕駛艙功能仿真。駕駛艙仿真設(shè)計(jì)的原則是穩(wěn)定， 即整個(gè)駕駛艙網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備一定的容錯(cuò)能力， 在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中若產(chǎn)生沖突競(jìng)爭(zhēng)， 則應(yīng)有一種機(jī)制解決沖突， 且不丟失數(shù)據(jù)， 而CAN( Cont roller A rea Netw or k) 是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)， 具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，基于此選取CAN 總線作為整個(gè)駕駛艙網(wǎng)絡(luò)通信方案。由于飛機(jī)駕駛艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能繁多， 所以需對(duì)駕駛艙進(jìn)行功能模塊劃分， 各模塊間通過(guò)CAN 總線進(jìn)行通信， 以下即從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、CAN 節(jié)點(diǎn)通信接口硬件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)3 個(gè)方面詳細(xì)闡述該方案。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
飛機(jī)駕駛艙中的顯示部分主要有電子飛行儀表系統(tǒng)( Elect ronic Flight Inst rument System, EFIS) , 飛機(jī)電子中央監(jiān)控( Elect ronic Cent ralized Aircraft Mo nitoring , ECAM)， 分別由3 臺(tái)觸摸屏顯示器顯示， 其顯示邏輯統(tǒng)一由上位機(jī)控制。操作部分有頂版、中央操縱臺(tái)、遮光板， 側(cè)桿， 這4 部分全部由硬件實(shí)現(xiàn)， 基于區(qū)域劃分的原則將其進(jìn)行模塊劃分， 每一模塊為一節(jié)點(diǎn)。整體架構(gòu)如圖1 所示。
圖1 整體架構(gòu)圖
由于各節(jié)點(diǎn)間存在邏輯控制關(guān)系， 所以采用多主方式通信， CAN 總線網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可作為主節(jié)點(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。上位機(jī)作為其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)， 通過(guò)CAN 總線智能適配卡與網(wǎng)絡(luò)上的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信， 負(fù)責(zé)主要的邏輯運(yùn)算和駕駛艙顯示功能的控制， 其他節(jié)點(diǎn)不僅完成操作動(dòng)作的采集， 還根據(jù)邏輯要求互相控制。
3 CAN 節(jié)點(diǎn)通信接口硬件電路設(shè)計(jì)
由于駕駛艙各節(jié)點(diǎn)間的控制邏輯復(fù)雜， 數(shù)據(jù)量大，通信頻繁， 故對(duì)各節(jié)點(diǎn)主控芯片的存儲(chǔ)容量有較高的要求， 且對(duì)CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性也有較高要求。選取C80C51F040 作主控芯片， 因其擁有4 352 B RAM 以及64 KB 的FLA SH, 滿足程序應(yīng)用需要。它內(nèi)部集成CAN 控制器， 它兼容CAN 技術(shù)規(guī)范2. 0A 和2. 0B, 主要由CAN 內(nèi)核、消息RAM( 獨(dú)立于CIP51 的RAM) 、消息處理單元和控制寄存器組成。
CAN 內(nèi)核由CAN 協(xié)議控制器和負(fù)責(zé)報(bào)文收發(fā)的串行/ 并行轉(zhuǎn)換RX/ T X 移位寄存器組成。消息RAM 用于存儲(chǔ)報(bào)文目標(biāo)和每個(gè)目標(biāo)的仲裁掩碼。這種CAN處理器有32 個(gè)隨意配置為發(fā)送和接收的報(bào)文目標(biāo)， 并且每一個(gè)報(bào)文目標(biāo)都有自己的識(shí)別掩碼， 所有的數(shù)據(jù)傳輸和接收濾波都是由CAN 控制器完成， 而不是由CIP51 完成。C8051F040 所具備的完善的CAN 總線控制器和獨(dú)立的CAN 信息緩沖區(qū)， 可以解決MCU ( MicroCo nt ro l U nit ) 與CAN 總線之間串/ 并轉(zhuǎn)換、不同節(jié)點(diǎn)間波特率誤差的校正、以及MCU 與CAN 總線通信的沖突競(jìng)爭(zhēng)和同步等問(wèn)題， 為CAN 總線網(wǎng)絡(luò)具有較高穩(wěn)定性提供了可靠的保障。
CAN 總線的收發(fā)器選用TI 公司的SN65HVD230芯片， 該芯片正常模式下的低電流設(shè)計(jì)使得芯片的發(fā)熱量小( 典型數(shù)值為370 A)， 而且其優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)使得信號(hào)質(zhì)量得到進(jìn)一步改善; 為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力， 在主控芯片C80C51F040 和收發(fā)器SN65HVD230 之間加入光耦6N137 進(jìn)行電氣隔離， 由于通信信號(hào)傳輸?shù)綄?dǎo)線的端點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生反射， 反射信號(hào)會(huì)干擾正常信號(hào)的傳輸， 因而總線兩端接有終端電阻以消除反射信號(hào)， 有效隔離CAN 總線上的干擾信號(hào)， 提高了系統(tǒng)可靠性。如圖2 所示。
圖2 CAN 節(jié)點(diǎn)通信接口原理圖
